5G毫米波終端射頻環境檢測方法

劉亞輝，王 玢

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

5G通信技術必將為用戶帶來全新的互聯網使用體驗，并加速各行各業的數字化轉型。毫米波系統是5G技術為滿足大帶寬需求的一項重要組成部分，隨著5G業務的大力布局，當前通信頻段一定會全面覆蓋毫米波方向，而確定并規劃5G毫米波終端射頻檢測的方法與標準，建立完備的5G毫米波檢測環境，成為5G技術下一階段部署的關鍵。

1 5G毫米波概述

5G主要使用兩段頻率，分別定義為FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段為450 MHz-7.125 GHz，又叫sub-6 GHz頻段。FR2頻段為24.25 GHz-52.6 GHz，由于FR2覆蓋的波段中大多數波段小于10 mm，因此得名毫米波（mmWave），其工作頻段如表1所示。

表1 3GPP中定義的毫米波工作頻段

目前，一些國家和地區已陸續完成了5G毫米波頻譜的劃分及其分配或拍賣。美國分別于2019年1月和5月完成了28 GHz和24 GHz頻段的拍賣，并于2020年3月進一步完成了對37 GHz、39 GHz 和47 GHz頻段的拍賣。歐盟委員會已于2019年5月通過了一項實施決定，統一26 GHz頻段的無線電頻譜，使成員國能夠為頻段使用設定共同的技術條件并開放使用，目前意大利、芬蘭、挪威已經完成部分頻譜的分配或拍賣。在亞洲，日本、韓國、泰國、中國香港和中國臺灣已經完成了26 GHz和28 GHz部分頻譜的分配或者拍賣。而截止到2020年6月，已經有17個國家及地區的79家運營商擁有了在24.25-29.5 GHz頻段部署了5G毫米波的許可。

5G毫米波在我國也得到了政策的有力支持，早在2017年6月，工業和信息化部就發布了面向社會廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用于5G系統的意見，并將毫米波頻段納入5G試驗的范圍，在2020年3月發布《關于推動5G加快發展的通知》中明確指出，將結合國家頻率規劃進度安排，組織進行毫米波設備和性能檢測，為5G毫米波技術商用提前做好準備，適時發布部分5G毫米波頻段頻率使用規劃。

2019年，中國IMT-2020（5G）推進組在統籌規劃5G毫米波工作時，提出要分3個階段推進試驗工作：首先在2019年，工作的重點內容是驗證5G毫米波的關鍵技術與系統特點；然后2020年的重點工作是，驗證5G毫米波的基站與終端的功能、性能、互操作；最后在2020到2021年間進行5G毫米波在典型場景中的應用驗證。

2 5G毫米波的優缺點

隨著移動通信的飛速發展，目前6 GHz以下常用頻段幾乎已經被用完，但是仍然存在頻譜短缺和沖突的問題。而毫米波頻段的資源豐富，可用的頻譜帶寬遠大于低頻段。與低頻段相比較，毫米波通信具有以下優點。

（1）頻率資源豐富、帶寬極大：3GPP中規定了毫米波的最大帶寬為400 MHz，在載波聚合的情況下最大能達到1200 MHz帶寬，遠大于sub-6 GHz頻寬的帶寬。根據香農公式，同等條件下，更大的帶寬意味著具有更快的傳輸速率。5G毫米波在傳輸速率上將達到10 Gb/s的量級，遠高于sub-6 GHz頻段的1 Gb/s的量級。

（2）波束窄：能分辨相距更近的小目標或更為清晰的觀察目標細節，非常適合與波束賦形技術進行結合，提高定向性，在通信中可以更好地對通信對象進行空間分隔。

（3）可實現低時延：通常來說，5G網絡是以時隙為單位調度數據的，空口時隙長度越短，意味著5G網絡在物理層的時延越小。如表2所示，5G毫米波系統空口時隙長度最小可至0.125 ms，是目前主流5G中低頻系統的1/4。因此，5G毫米波系統比5G中低頻系統空口時延顯著降低，可實現5G網絡對工業互聯網、AR/VR、云游戲、實時云計算等URLLC（高可靠低時延）業務的質量承諾。

表2 不同頻段的時隙間隔

（4）安全保密性好、傳輸干擾小：毫米波在傳輸中衰減快，竊聽難度大。由于頻段高，電磁頻譜干凈，沒有什么干擾源，因此毫米波的信道相對穩定可靠，誤碼率低。

（5）設備集成度高：5G毫米波的元器件尺寸小，因此設備更容易小型化和微型化。

盡管毫米波有著眾多優點，但也不可避免的存在一些缺點，比如傳播衰減大，繞射和衍射能力弱，覆蓋能里有限等。

3 5G毫米波終端射頻檢測

通常2G、3G、4G終端，射頻與天線有各自獨立的檢測方法和指標，可以分開檢測獨立評估，射頻指標一般采用傳導檢測方法，使用線纜將被測設備的射頻口與檢測儀表相連，測量精度主要取決于儀表的性能。由于5G毫米波采用了massive MIMO技術，設備都使用天線陣列，無法使用傳統的傳導檢測方法，因此，空口（OTA）檢測將成為5G毫米波的主要檢測方法。

依據檢測標準3GPP TR 38.810《3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network ； NR ； Study on test methods》 中的描述，射頻發射機有三種檢測方法。

3.1 直接遠場（Direct far field）

（1）遠場測量是最簡單的OTA測量的系統。被測設備被安裝在一個定位器上，該定位器可以在兩個平面上旋轉（方位角和仰角或者方位角和橫滾角），可以從任意的3D角度進行檢測。檢測距離需滿足D設備天線的尺寸，λ為電磁波波波長。示意圖如圖1所示。

圖1 遠場檢測示意圖

然而公式中天線尺寸D有時并不簡單。對于典型的天線陣列，D是陣列的對角線。但對于5G毫米波用戶設備而言，確定D值時需要考慮的一個因素是這些設備會配有多個天線陣列，支持全方位覆蓋，如圖2所示。

圖2 5G毫米波設備可能采用的天線陣列圖

有兩種方法可以測量配有一個或多個天線陣列的設備：第一種“白盒”的方法，但前提是需要預先知道被測設備的天線陣列的位置及具體尺寸；另一種方法不需要知道任何天線陣列的位置，稱為“黑盒”方案，用于計算遠場的D值是被測設備的最大尺寸。一般白盒方案用于開發環境中，因為更可能知道天線的結構，遠場距離相對于黑盒方案會小得多。檢測使用黑盒方案。

（2）3GPP中給出不同天線尺寸和頻率的近場/遠場邊界如表3所示。

表3 不同天線尺寸和頻率的近場/遠場邊界

由表3可知，對于較大的天線尺寸和較高的頻率，遠場需要的檢測距離可能非常大，這需要非常大的暗室，建設成本會很昂貴。檢測中的路徑損耗也很大，對于檢測結果準確度有很大的難度。

3.2 間接遠場（Indirect far field）

（1）間接遠場檢測方法時使用拋物面反射器的變換創建遠場環境，這也稱為緊湊型天線檢測系統（CATR）。示意圖如圖3所示。

圖3 間接遠場檢測示意圖

D=x[m]

反射器尺寸=2×D

R=焦距=3.5×反射器尺寸=3.5×（2×D）

（3）間接遠場的檢測路徑損耗估算如表4所示。

表4 間接遠場的檢測路徑損耗估算

表3與表4對比來看，同一頻率下，DUT天線尺寸越大，間接遠場的路徑損耗比直接遠場的路徑損耗就要越小。

3.3 近場轉換成遠場（Near field to far field transform）

（1）NFTF方法通過近場到遠場的變換來計算在遠場中定義的度量。如圖4所示。

圖4 NFTF檢測示意圖

（2）測量輻射近場UE波束圖，并基于NFTF數學變換，最終得出檢測結果，但是無法檢測EVM、EIS和阻塞。

3.4 三種檢測方法的比較

3GPP TR38.810中還規定了檢測環境適用情況。如表5所示。

表5 檢測環境適用情況

間接遠場的檢測方法相對于直接遠場檢測方法，適用的待測設備更多，需要的暗室尺寸更小，建設成本更低，且路徑損耗相對較小，檢測結果更準確。與近場轉換遠場的檢測方法相對比，適用的待測設備更多，可以覆蓋的檢測項更完整。所以現在大多數檢測都采用間接遠場的方式進行。

4 結束語

5G賦能各行各業，而毫米波技術使用更高的頻率，使5G實現了更快的速率，真正實現了5G技術的優勢，成為影響5G未來部署的關鍵性技術，必將在未來十年甚至更長的時間內，為我們帶來持續性的科技突破。